基本介紹
- 中文名：鑄造鎂合金
- 外文名：cast magnesium alloy
- 學科：金屬材料
- 主要用於：結晶溫度間隔、體收縮和線收縮大
- 分類：鑄造鎂合金和變形鎂合金
- 套用：汽車零件、機件殼罩和電氣構件等
發展歷程,主要成分,套用,熔煉技術,研究進展,
發展歷程
鑄造鎂合金大致可以分為三個階段：
（1）第一個階段是一個基礎階段 主要在鎂中加入鋁和鋅，即Mg-A1-Zn系合金。這類合金可得到與鑄造鋁合金相近的抗拉強度。我國的ZM5、英國的L121及美國的AM80A都屬於這類合金，主要添加元素為鋁，而鋅的含量較低，主要是因為鋅含量增加時，容易出現顯微疏鬆。
（2）第二個階段是一個改進階段 在鎂中加入鋯，常見的含鋯合金系有Mg-Zn-Zr，Mg-RE-Zr等。鋯在鎂合金中的主要作用就是細化鎂合金晶粒，從而提高鎂合金的屈服強度，並使鎂合金具有良好的抗疲勞性能和較低的缺口敏感性。缺點仍然是因為結晶間隔較寬，容易出現顯微疏鬆和熱裂傾向。所以目前套用最多的是不含鋯壓鑄鎂合金Mg-Al。另外為了提高鎂合金高溫抗蠕變性能，產生了以稀土元素為主要組元的鎂合金。
（3）第三個階段是提高階段 在鎂合金中加入銀，銀合金化後能增強時效強化效應，大大提高了鎂合金的高溫強度和蠕變抗力，但會降低合金耐蝕性能。
主要成分
以鎂為基加入合金化元素形成的適於用鑄造方法生產零部件的鎂合金。按合金化元素分為：鎂鋁鋅系鑄造鎂合金，鎂鋅鋯系鑄造鎂合金，鎂稀土鋯系鑄造鎂合金。鑄造鎂合金的牌號以拼音字母ZM和數字組成，中國常用的鑄造鎂合金化學成分見表。
中國鑄造鎂合金化學成分
合金系 | 牌號 | 主要元素/% | 雜質（不大於）/% | Mg | |||||||||||
Al | Zn | Mn | RE | Nd | 溶解 Zr | 總 Zr | Si | Fe | Ni | Cu | Be | 其他 單個 | |||
鎂-鋁-鋅 | ZM-5 | 7.5～ 9.0 | 0.2～ 0.8 | 0.15～ 0.5 | - | - | - | - | 0. 25 | 0.08 | 0.01 | 0.1 | 0.002 | 0.1 | 餘量 |
鎂-鋅-鋯 | ZM-1 | - | 3.5～ 5.5 | - | - | - | ≥0.5 | 0.5～ 1.0 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.03 | 0.001 | 0.05 | 餘量 |
ZM-2 | - | 3.5～ 5.0 | - | 0.7～ 1.7 | - | ≥0.5 | 0.5～ 1.0 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.03 | 0.001 | 0.05 | 餘量 | |
ZM-7 | - | 7.5～ 9.0 | Ag0.6 ～1.2 | - | - | ≥0.5 | 0.5～ 1.0 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | Al 0.05 | 0.3 | 餘量 | |
鎂-稀土-鋯 | ZM-3 | - | 0.2～ 0.7 | - | 2.5～ 4.0 | - | ≥0.5 | 0.5～ 1.0 | 0. 01 | 0.01 | 0.01 | 0.03 | 0.001 | 0.05 | 餘量 |
ZM-4 | - | 2.0～ 3.0 | - | 2.5～ 4.0 | - | ≥0.5 | 0.5～ 1.0 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.03 | 0.001 | 0.05 | 餘量 | |
ZM-6 | - | 0.2～ 0.7 | - | - | 2.0～ 2.8 | ≥0.4 | 0.4～ 1.0 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.03 | 0.001 | 0.05 | 餘量 | |
ZM-8 | - | 5.5～ 6.0 | - | 2.3～ 3.0 | - | ≥0.5 | 0.5～ 1.0 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.03 | 0.001 | 0.05 | 餘量 | |
鎂-鋁-鋅 | ZM-10 | 9.0～ 10.2 | 0.6～ 1.2 | 0.1～ 0.5 | - | - | - | - | 0.30 | 0.05 | 0.01 | 0.20 | 0.05 | 餘量 | |
套用
1、 航空航天領域
就航空材料而言，結構減重和結構承載與功能一體化是飛機機體結構材料發展的重要方向。鎂由於其低密度、高比強度的特性使得其很早就在航空工業上得到套用。航空材料減重帶來的經濟效益和性能的改善十分顯著，商用飛機與汽車減重相同重量帶來的燃油費用節省，前者是後者的近100倍。而戰鬥機的燃油費用節省又是商用飛機的近10倍，更重要的是其機動性能改善可以極大提高其戰鬥力和生存能力。正因為如此，航空工業才會採取各種措施增加鎂合金的用量。
2、 軍事領域
鎂合金重量輕、比強度和剛度好、減振性能好、電磁干擾禁止能力強等特點能滿足軍工產品對減重、吸噪、減震、防輻射的要求。
1、 汽車領域
鎂合金用作汽車零部件通常表現為以下優點：
1）提高燃油經濟性綜合標準，降低廢氣排放和燃油成本，據測算，汽車所用燃料的60%消耗於汽車自重，汽車每減重10%，耗油將減少8%-10%;
2）重量減輕可以增加車輛的裝載能力和有效載荷，同時還可改善剎車和加速性能;
3）可以極大改善車輛的噪音、振動現象。
4、 機車領域
50多年來，經過不斷的技術革新，鎂合金在機車上的套用也不斷在廣度和深度上進行擴展，套用車型從賽車擴展到運動型摩托、輕便型摩托、概念型摩托，覆蓋歐美日十幾種主要機車品牌，鎂合金套用部件涵蓋動力系統，傳動系統以及各種機車附屬檔案四十餘種，其中僅英國的Dymay輪轂就套用多達400種車型。國內機車鎂合金的套用目前尚屬空白，重慶隆鑫率先試製出型號為LXl50的“鎂合金綠色概念機車”，在國內引起了廣泛的關注，所採用的12個零部件如今已有3個實現了規模化生產。
5、 3C領域
3C產品——Computer，Communication，Consum·erElectronicProduct（計算機類、通訊類、消費類電子產品）是當今全球發展最快的產業，數位化技術導致了各類數位化產品的不斷湧現。鎂合金3C產品最早出現於日本，1998年，日本廠商開始在各種可攜式商品（如PDA.手機等）採用鎂合金材質，如今運用鎂合金最普遍的3C產品是筆記本電腦，也是由日本Sony公司率先推出的。在3C產品朝著輕、薄、短、小方向發展趨勢的推動下，近年來鎂合金的套用得到了持續增長。
熔煉技術
1、 鑄造鎂合金液的阻燃技術
1.1 熔劑保護法
利用低熔點的化合物在較低的溫度下熔化成液態，在鎂合金液面鋪開，因阻止鎂液與空氣接觸從而起到保護作用。現在普遍使用的熔劑由無水光鹵石（MgCI2—KC）為主，添加一些氟化物、氯化物組成。該劑使用較方便，生產成本低，保護使用效果好，適合於中小企業的生產特點。但是，該劑使用前要重新脫水，使用時會釋放出嗆人的氣味。由於熔劑的密度較大會逐漸下沉，需要不斷添加。使用過程中釋放出大量有害氣體，污染環境、腐蝕廠房嚴重。因此，研究新型的覆蓋、精煉效果好且無公害的鎂合金熔劑是一項重要課題。
1.2 氣體保護法
氣體保護法是在鎂合金液的表面覆蓋一層惰性氣體或者能與鎂反應生成緻密氧化膜的氣體，從而隔絕空氣中的氧，採用的主要保護氣體是SF6、S02、CO2、Ar、N2等。為了進一步提高保護作用和減少較貴的SF6氣體的用量，國外一般在SF6氣體中混合空氣或其他乾燥氣體如CO：混合氣體保護效果好，但是存在以下問題：
1）污染環境，SF6會產生S02、SF4等有毒氣體，SF6對全球變的作用是CO2的24900倍;
2）設備複雜，需要複雜的混氣裝置和密封裝置;
3）腐蝕設備，顯著降低坩堝使用壽命。
1.3 合金化法
過去人們採用在鎂合金中添加鈹元素來提高鎂合金的阻燃性能，但鈹的毒性較大，且加入量過高會引起晶粒粗化和增加熱裂傾向，因此受到添加量的限制。日本學者研究認為，添加一定量的鈣能明顯提高鎂合金的著火點溫度，但是存在著加入量過高，且嚴重惡化鎂合金的力學性能。同時加入鈣和鋯具有阻燃效果。國內研究認為，在鎂合金AZ91D中加入稀土鈰可有效提高鎂合金的起燃溫度。
2、 鎂合金熔體的變質處理技術
鎂合金熔煉變質的目的是改變鎂合金的組織形態，該工藝對合金的晶粒大小和力學性能有較大的影響，且對鎂液中的氧化夾雜亦有一定影響。研究表明，對於不含Al的鎂合金，採用鋯進行變質處理具有很好的晶粒細化效果，作用原理是Zr發生包晶反應，促進晶粒細化。在Mg—Al類合金中加入合適的碳素材料後，使其與合金液起化學反應生成A1C4，該化合物可以起到外來晶核的作用，促使鎂合金的晶粒細化。在AZ91鎂合金基礎上添加不同含量的混合稀土，對其鑄態和固溶時效的組織及性能也有明顯的效果。
3、 鎂合金成形技術
鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法，當前主要使用鑄造成形工藝。鎂合金可以砂型鑄造、消失模鑄造、壓鑄、半固態鑄造等方法成型，近年來發展起來的鎂合金壓鑄新技術有真空壓鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產出AM60B鎂合金汽車輪毅和方向盤，後者也己開始用於生產汽車上的鎂合金零件。解決汽車大型和複雜形狀零部件的成形問題是當前進一步開發和改進鎂合金成形加工技術的方向。這裡就現在常用的鎂合金鑄造方法作一簡要介紹。
3.1 壓鑄
該方法是將熔化的鎂合金液，高速高壓注入精密的金屬型腔內，使其快速成形。根據把鎂液送入金屬型腔的方式，壓鑄機可分為熱室壓鑄機和冷室壓鑄機兩種。
1）熱室壓鑄機。其壓室直接浸在坩堝內鎂液中，長期處於被加熱狀態，壓射部件裝在坩堝上方。這樣壓鑄每循環一次時，不必特意給壓室供給鎂液，所以生產能快速、連續，易實現自動化。熱室壓鑄機的優點是生產工序簡單，效率高;金屬消耗量少，工藝穩定;壓入型腔的鎂液較乾淨，鑄件質量較好;鎂液壓人型腔時流動性好，適於壓薄壁件。但壓室、壓鑄沖頭及坩堝長期浸在鎂液中，影響使用壽命，對這些熱作件材料要求較高。鎂合金熱室壓鑄機更適合生產一些薄壁而外觀要求較高的零件，如手機和掌上電腦外殼等，但由於鎂合金熱室壓鑄機是採用沖頭直接將鎂合金液經過封閉的鵝頸和噴嘴壓人金屬模型腔，因此壓射時增壓壓力較小，一般不適用於汽車、航天航空等大型、壁厚、載荷大的零件。
2）冷室壓鑄機。每次壓射時，先由手工或通過自動定量給料機把鎂液注入壓射套筒內，因而鑄造周期比熱室壓鑄機要長些。冷室壓鑄機的特點是： 壓射壓力高，壓射速度快，所以可以生產薄壁件，也可以是厚壁件，適應範圍寬;壓鑄機可大型化，且合金種類更換容易，也可與鋁合金並用;壓鑄機的消耗品比熱室壓鑄機的便宜。多數情況下，對大型、厚壁、受力和有特殊要求的壓鑄件採用冷室壓鑄機生產。
鎂合金壓鑄時，由於壓射速度高，當鎂液充填到模具型腔時，不可避免會有金屬液紊流及卷氣現象發生，造成工件內部和表面產生孔洞缺陷，因此對於要求高的鑄件，如何提高其成品率是鎂合金壓鑄所面臨的主要問題之一。
3.2 半固態成形技術
鎂合金半固態成形是近年來發展起來的成形技術，可以獲得高緻密度的鎂合金製品，是具競爭力的鎂合金成形方法。半固態成形主要有以下幾種方法。
3.2.1 觸變鑄造
觸變鑄造是將製備的非枝晶組織的棒料定量切割後重新加熱至液固兩相區（固相體積分數為50%—80%），然後再採用壓鑄或模鍛工藝半固態成形，觸變鑄造不使用熔化設備，錠料重新加熱後便於輸送和加熱，易於實現自動化;但是，製備預製坯料需要巨大的投資，而且關鍵技術為國外少數幾家公司所壟斷，導致其成本居高不下，僅適於製造需高強度的關鍵零件。
3.2.2 流變鑄造
流變鑄造採用金屬熔體做原料，冷卻攪拌產生半固態合金漿料後，以管路或容器輸送至壓鑄機直接成形，對於流變鑄造，由於非枝晶半固態合金漿料在保持、狀態控制和輸送等方面存在著困難，在很大程度上限制了其工業套用，從而慢於觸變鑄造工業套用的步伐。隨半固態鑄造技術的進展，觸變鑄造在預製材料均勻性及成本、感應加熱控制及材料消耗、成形過程的可靠性及重複性、廢料回收等方面的限制越來越明顯，其經濟效益很難盡人如意，因此開發流變鑄造再度受到人們的重視，日本日立製作所及UBE都開發出新的流變鑄造工藝及設備。總之，流變鑄造不僅可以低成本生產高質量的成形件，而且生產流程將比觸變鑄造顯著縮短，更易於與傳統壓鑄技術接軌，減少設備投資。顯然，流變鑄造技術將會有更大的套用潛力。
研究進展
1、 耐熱鎂合金
耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛套用的主要原因之一，當溫度升高時，它的強度和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關鍵零件（如發動機零件）材料在汽車等工業中得到更廣泛的套用。己開發的耐熱鎂合金中所採用的合金元素主要有稀土元素（RE）和矽（Si）。稀土是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22和WE54具有與鋁合金相當的高溫強度，但是稀土合金的高成本是其被廣泛套用的一大阻礙。
Mg—Al—Si（AS）系合金是德國大眾汽車公司開發的壓鑄鎂合金。175 cC時，AS41合金的蠕變強度明顯高於AZ91和AM60合金。但是，AS系鎂合金由於在凝固過程中會形成粗大的漢字狀Mg2Si相，損害了鑄造性能和機械性能。研究發現，微量Ca的添加能夠改善漢字狀MgaSi相的形態，細化Mg2Si顆粒，提高AS系列鎂合金的組織和性能。
2、 耐蝕鎂合金
鎂合金的耐蝕性問題可通過兩個方面來解決：
1）嚴格限制鎂合金中的Pe、Cu、Ni等雜質元素的含量。例如，高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍，超過了壓鑄鋁合金 A380，比低碳鋼還好得多。
2）對鎂合金進行表面處理。根據不同的耐蝕性要求，可選擇化學表面處理、陽極氧化處理、有機物塗覆、電鍍、化學鍍、熱噴塗等方法處理。例如，經化學鍍的鎂合金，其耐蝕性超過了不鏽鋼。
3、 阻燃鎂合金
鎂合金在熔煉澆鑄過程中容易發生劇烈的氧化燃燒。實踐證明，熔劑保護法是行之有效的阻燃方法，但他們在套用中會產生嚴重的環境污染，並使得合金性能降低，設備投資增大。
純鎂中加鈣能夠大大提高鎂液的抗氧化燃燒能力，但是由於添加大量鈣會嚴重惡化鎂合金的機械性能，使這一方法無法套用於生產實踐。
最近，上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心通過同時加入幾種元素，開發了一種阻燃性能和力學性能均良好的轎車用阻燃鎂合金，成功地進行了轎車變速箱殼蓋的工業試驗，並生產出了手機殼體、MP3殼體等電子產品外殼。
4、 高強高韌鎂合金
現有鎂合金的常溫強度和塑韌性均有待進一步提高。在Mg—Zn和Mg—Y合金中加人Ca、Zr可顯著細化晶粒，提高其抗拉強度和屈服強度;加入Ag和Th能夠提高Mg—RE—Zr合金的力學性能，如含Ag的QE22A合金具有高室溫拉伸性能和抗蠕變性能，已廣泛用作飛機、飛彈的優質鑄件;通過快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠（ECAE）等方法，可使鎂合金的晶粒處理得很細，從而獲得高強度、高塑性甚至超塑性。
